超遠(yuǎn)距離通訊如何保證
從地球要飛到月球,類(lèi)似星際探測(cè)。從常識(shí)來(lái)說(shuō),距離越長(zhǎng),傳回的信號(hào)就比較弱!白铍y的一點(diǎn)就是我們?nèi)绾胃櫺l(wèi)星,得到星上的一些狀態(tài),如何去控制衛(wèi)星!辨隙鹨惶(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師饒偉說(shuō),這就需要測(cè)控系統(tǒng)確保跟蹤完整,測(cè)量準(zhǔn)確和指令無(wú)誤。
“之前我們的衛(wèi)星最高離地球六七萬(wàn)公里,現(xiàn)在月球離我們有38萬(wàn)—40萬(wàn)公里。這么遠(yuǎn)的距離,信號(hào)能量不足。如果增加衛(wèi)星搭載的測(cè)控設(shè)備,又受到星上重量和功耗的限制。這就要求衛(wèi)星必須提高自身信號(hào)的發(fā)射功率,同時(shí)地面要能夠低靈敏度接收。”孫澤州說(shuō)。
饒偉介紹說(shuō),為了保證38萬(wàn)—40萬(wàn)公里遠(yuǎn)的有效測(cè)控,采取了幾方面的創(chuàng)新措施,選取多種工作模式、多種措施集中在同一顆衛(wèi)星來(lái)保證測(cè)控信道余量。
“地面測(cè)控系統(tǒng)方面,由于我國(guó)尚未建成深空測(cè)控網(wǎng),測(cè)控系統(tǒng)首次采用了現(xiàn)有的用于載人航天的S頻段航天測(cè)控系統(tǒng)(USB)和中國(guó)科學(xué)院的甚長(zhǎng)基線干涉天文測(cè)量系統(tǒng)(VLBI)的綜合測(cè)量技術(shù),解決繞月探測(cè)工程‘測(cè)控距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高’的技術(shù)難題!别垈フf(shuō)。
為提高嫦娥一號(hào)衛(wèi)星測(cè)控覆蓋率,測(cè)控系統(tǒng)與歐洲空間局和智利圣地亞哥站開(kāi)展國(guó)際聯(lián)網(wǎng)合作,使測(cè)控覆蓋率達(dá)到98%以上。
為確保準(zhǔn)確接收科學(xué)數(shù)據(jù),除為USB系統(tǒng)新建兩個(gè)直徑18米的測(cè)控天線,還研制了我國(guó)口徑最大的兩面數(shù)據(jù)接收天線,也就是北京密云新建的直徑50米天線和昆明新建的40米天線,前者天線有680多噸重,鍋蓋足有6個(gè)籃球場(chǎng)大。
三十八萬(wàn)公里探月路
衛(wèi)星帶1.2噸推進(jìn)劑;在空間多次變軌調(diào)整; 能否沿預(yù)定軌道飛行是關(guān)鍵
“月球離地球的平均距離為38萬(wàn)公里,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們幾十年近地空間的活動(dòng)范圍。除了距離遠(yuǎn)以外,還從二體運(yùn)動(dòng)變成了三體運(yùn)動(dòng)!崩@月探測(cè)工程總設(shè)計(jì)師孫家棟院士認(rèn)為,整個(gè)“嫦娥”奔月過(guò)程中,能否順利沿著預(yù)定軌道飛行,是重中之重。衛(wèi)星起飛以后,在近地空間主要受地球引力的影響,當(dāng)它脫離地球一定距離以后,地球、月球都對(duì)其產(chǎn)生影響,越接近月球空間,月球的影響就越大;在衛(wèi)星長(zhǎng)距離飛行同時(shí),月球也要運(yùn)動(dòng)很長(zhǎng)一個(gè)距離,種種因素都帶來(lái)了軌道設(shè)計(jì)、測(cè)量和控制的難題。
“這是我國(guó)航天器第一次飛到月球的軌道上,因此這個(gè)軌道與常規(guī)的地球軌道設(shè)計(jì)有所不同,要考慮到月球引力場(chǎng)等新的因素,并且還要設(shè)計(jì)好飛往月球和被月球捕獲的交匯過(guò)程!辨隙鹨惶(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師孫澤州介紹說(shuō),軌道難點(diǎn)主要體現(xiàn)在變軌方面。
“嫦娥一號(hào)”送入到地球超同步衛(wèi)星軌道后,在繞地、地月飛行過(guò)程中會(huì)有多次變軌!爸圆扇《啻巫冘,一方面是能通過(guò)多次變軌在時(shí)間上騰出精確調(diào)整的余地;另一方面也可以節(jié)省燃料!睂O澤州說(shuō)。
“每一次變軌都用到推進(jìn)劑。這次推進(jìn)劑一共帶了1.2噸,還要用于圍繞月球旋轉(zhuǎn),這樣火箭推進(jìn)劑的余量就很緊張。軌道窗口越窄,走得就越痛快,很寬的話要花費(fèi)很多的推進(jìn)劑。由于推進(jìn)劑有限,因此軌道的每個(gè)環(huán)節(jié)都要設(shè)計(jì)好,這也是我們對(duì)發(fā)射日、發(fā)射時(shí)、軌道運(yùn)行要求都非常嚴(yán)的一個(gè)主要原因。”繞月探測(cè)工程總指揮欒恩杰說(shuō)。
繞地球飛行過(guò)程中,對(duì)“嫦娥一號(hào)”主要采用了調(diào)相軌道的設(shè)計(jì)思想,就是在衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中等待月球飛過(guò)來(lái),再進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。調(diào)相軌道可以使衛(wèi)星逐步獲得速度增量奔向月球,減少在大的速度增量變化中引起重力損耗等影響!斑x擇什么樣的軌道,是調(diào)相軌道還是直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道,經(jīng)過(guò)比較,最終確定了現(xiàn)在的方案。”孫澤州說(shuō)。
“軌道的設(shè)計(jì)過(guò)程有一些特點(diǎn)!睂O澤州說(shuō),要把地月轉(zhuǎn)移軌道和調(diào)相軌道分段設(shè)計(jì),再進(jìn)行拼接,最終要求是到達(dá)環(huán)月軌道。然后再倒推什么時(shí)候從地球進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道,以及星箭分離等參數(shù)。這種拼接的思想是第一次嘗試做?茖W(xué)家們對(duì)軌道做了大量的反復(fù)演練計(jì)算。
承受300攝氏度溫差,將遭遇兩次月食
未知世界如何生存
初次奔月的“嫦娥”還會(huì)遭遇到“熱問(wèn)題”,需經(jīng)歷地球、奔月、月球及月食等多種熱環(huán)境。
“以前的衛(wèi)星都是對(duì)地球進(jìn)行探測(cè),對(duì)地球的熱環(huán)境經(jīng)歷得比較多,我們比較熟悉。”饒偉說(shuō),但月球本身的熱環(huán)境我們并不了解。而外部的熱環(huán)境會(huì)影響到星上的熱環(huán)境,同時(shí)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星本身設(shè)備的工作模式比較復(fù)雜,星上一會(huì)兒熱一會(huì)兒冷,使得熱控問(wèn)題很突出。
“嫦娥一號(hào)衛(wèi)星兩個(gè)小時(shí)左右繞月球轉(zhuǎn)一圈,一小時(shí)有太陽(yáng)照著,一小時(shí)被月亮擋住太陽(yáng)。在太陽(yáng)照著月亮的地方,溫度有110攝氏度到130攝氏度,溫度太高;暗的地方,溫度一下掉到零下130攝氏度至零下180攝氏度,溫差可以達(dá)到300攝氏度。但所有的儀器、工作狀態(tài)都要適應(yīng)這種變化!睔W陽(yáng)自遠(yuǎn)說(shuō)。
在一年的工作壽命期內(nèi),“嫦娥一號(hào)”還不可避免的要經(jīng)歷兩次月食,每次月食的有效陰影時(shí)間均在3小時(shí)左右。這對(duì)星上提供能量的蓄電池組的低溫放電能力、溫度維持能力以及各設(shè)備的低溫耐受能力提出了更高要求。為確保能安全度過(guò)兩次月食,衛(wèi)星針對(duì)月食工況進(jìn)行了充分試驗(yàn)。
“目前月表環(huán)境的輸入條件,我們認(rèn)為已經(jīng)突破了。對(duì)于星上工作模式復(fù)雜的情況,研制過(guò)程中也安排了幾次大型實(shí)驗(yàn),都是很長(zhǎng)周期的,模擬月表環(huán)境,模擬在軌所有的可能,來(lái)驗(yàn)證星上溫度能不能控制住。實(shí)驗(yàn)結(jié)果都滿足要求!别垈フf(shuō)。
無(wú)人參與
星際旅行會(huì)否迷航
同地球衛(wèi)星相比,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星面對(duì)的情況更加復(fù)雜。迄今為止,歷史上所有探月飛行的成功率約為48%。
進(jìn)入環(huán)月軌道前,包括奔月飛行過(guò)程在內(nèi),“嫦娥一號(hào)”整個(gè)的變軌控制就靠制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。在環(huán)月以后,衛(wèi)星需要保持載荷對(duì)月觀測(cè),完成科學(xué)任務(wù),同時(shí)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)翼展開(kāi)并對(duì)日定向來(lái)獲得能源,控制定向天線對(duì)地定向,保證科學(xué)數(shù)據(jù)能可靠傳輸?shù)降孛嫔蟻?lái)。這些定向也須依靠制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。 “不管是奔月還是環(huán)月,對(duì)制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)都提出了很多新的要求,必須去解決這些問(wèn)題!毙l(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師葉培建說(shuō)。
“地球的衛(wèi)星只要兩個(gè)軸就夠了,所有的儀器對(duì)準(zhǔn)地球,太陽(yáng)能帆板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng),兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)了就可以干活。月球探測(cè)不行,必須所有的儀器對(duì)準(zhǔn)月亮,通訊天線要時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)地球,帆板要對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng),也就是所謂的三體定向!崩@月探測(cè)工程月球應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)說(shuō),難點(diǎn)在于太陽(yáng)、地球、月亮都在轉(zhuǎn)動(dòng),衛(wèi)星也在動(dòng),這幾個(gè)角度沒(méi)有時(shí)刻對(duì)準(zhǔn),衛(wèi)星根本就無(wú)法工作。
為此,“嫦娥一號(hào)”的制導(dǎo)、導(dǎo)航控制包含了兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。一是研制了一臺(tái)紫外月球敏感器,在繞月階段能夠適用,也對(duì)將來(lái)的深空探測(cè)有用。
“地球因?yàn)橛芯鶆虻募t外輻射,能用紅外地平儀直接獲得衛(wèi)星對(duì)地球的姿態(tài),但月球沒(méi)有均勻的紅外輻射,就不能用常規(guī)的紅外地球敏感器來(lái)測(cè)量!辨隙鹨惶(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師顧問(wèn)李鐵壽說(shuō)。
“另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是,為了傳輸科學(xué)探測(cè)信息,我們需要一個(gè)不同于以往衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸天線! 李鐵壽說(shuō),以往衛(wèi)星的姿態(tài)相對(duì)于地球是不動(dòng)的,現(xiàn)在需要有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的天線,來(lái)使天線指向始終對(duì)地。“這是一個(gè)新的技術(shù),在過(guò)去的衛(wèi)星上還沒(méi)有用過(guò)! (記者 余建斌)